[發明專利]基于時空關系的礦山采空區覆巖沉降動態預測方法

有效

• 申請號: 201310647965.5
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103606019A
• 公開（公告）日: 2014-02-26
• 發明（設計）人: 趙康;趙曉東;趙奎;程渭民;王曉軍;金解放
• 申請（專利權）人: 江西理工大學
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/02
• 代理公司: 贛州凌云專利事務所 36116
• 代理人: 曾上

技術領域

本發明涉及礦山采空區覆巖移動預測技術，是一種基于時間和空間關系的采空區覆巖沉降動態預測方法。

背景技術

隨著經濟社會的飛速發展，對礦產品的需求越來越大，很多礦物需要地下開采，礦物的大量開采會留下大面積的采空區，由于應力平衡因素隨著空區體積的增大及時間的推移，常導致采空區覆巖沉降或破壞，進而影響礦山安全生產；更為甚者覆巖移動波及到地表使地表變形和塌陷，造成人員傷亡、農田破壞、地面建筑物損壞，改變地表環境和潛水環境，是一種嚴重影響生態環境的工程地質災害。為了補償因礦山開采覆巖移動導致安全事故造成的損失，我國一些礦山每年為此支付的賠償費達數千萬元，甚至超過億元，如治理安徽淮南的大片采礦沉降區國家耗資就達12億元之多。

覆巖沉降移動過程受地質條件、采礦方法、頂板控制、礦體厚度、傾角、巖石物理力學性質、地質構造以及巖石的風化程度等復雜因素影響，因此，對采空區覆巖沉降的預測是當前該領域中的一個國際難題，也是一個熱點問題。覆巖沉降一般有“三帶”，即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶。彎曲帶波及地表形成所謂的沉降盆地，沉降盆地的形成是一個隨著地下開采的進行而不斷擴大的動態過程，當開采結束后，地表下沉持續一定的時間后趨于穩定，形成最終的沉降盆地。近年來,不少專家學者在研究覆巖與地表移動規律時，提出了預測開采地面沉降的不少經驗與方法，但這些方法各有優缺點。

對于地下采礦引起的覆巖沉降，早在1952年波蘭學者Knothe提出了地表下沉量與時間關系的時間函數模型：

式中：為覆巖沉降穩定后的剖面函數；其中w_m為沉降盆地主斷面上的最大下沉量，r為沉降影響半徑，x為礦山監測點距中心點距離，n為沉降曲線形態參數。為時間系數；其中c為巖性參數，t為覆巖沉降的時間。

式（1）表明地表沉降從開始就以最大速度減速下沉，此公式只適合理論分析，與工程實際不符。劉玉成等在此基礎上建立了動態過程模型：

式（2）中各參數意義同式（1），其中k為常數。

通過對式（2）中的求二階導數，得出覆巖沉降的加速度系數值先正后負，即覆巖先加速下沉后減速下沉最終達到穩定狀態，該模型具有一定的工程實際指導意義，但適用范圍有限，只能滿足覆巖下沉先加速后減速最終達到穩定的這種類型。

發明內容

本發明的目的是針對采空區覆巖沉降的數值不易現場實測的缺陷，而提出的一種基于時空關系的礦山采空區覆巖沉降動態預測方法。

本發明技術方案：一種基于時空關系的礦山采空區覆巖沉降動態預測方法，包括如下步驟：

第一步：測量出要預測礦山的采空區影響半徑r，建立二維坐標系，以覆巖未沉降時為0點，以地表水平面為x軸，垂直于采空區中心點的豎直向下為w_m(x)軸，以采空區覆巖最大沉降點為對稱中心（如圖1）；

第二步：根據測量的實際需要，在距采空區中心不同的距離選取一定數量的監測點，分別記為x₁,x₂,x₃L，其中x值是該監測點與采空區中心點的水平距離，可通過實測得到；

第三步：礦山開采后，每間隔一定時間測量一次這些點的沉降量w_m(x,t)，然后通過公式確定參數n，通過求出最終沉降量w_m，根據每段時間測量出的w_m(x,t)求出a(t)，并根據該礦山沉降的加速度值的正負變化情況，再確定礦山沉降屬于哪種類型；根據研究覆巖沉降分4種類型：①勻速下沉，②加速下沉直至塌陷，③開始加速下沉然后減速下沉最終達到穩定狀態，④開始加速下沉，后減速下沉，然后再加速下沉直至塌陷；然后根據已測數據代入與4種覆巖沉降類型依次對應的公式：①②③且t∈[0,t₁)，④且t∈[0,t₂)中求出時間系數的β_i(i=0,1,2,3,4)，最后根據公式進行礦山沉降動態時空關系預測。

將采空區覆巖沉降最終達到穩定狀態的幾何模型簡化為類似半球形空間（見圖1），以采空區覆巖未沉降時的地表為參考平面，以過采空區中心點的垂直剖面為研究對象，通過分析該平面可知采空區中心點的沉降量最大，參考平面上距采空區中心點的距離越大，則該點處的垂直沉降量越小。在采空區覆巖沉降的過程中，各點的沉降量隨沉降時間的增加而增加，基于上述分析建立一種基于時空關系的礦山采空區覆巖沉降動態預測方法。

通過研究和總結歸納，礦山覆巖沉降大致分以下四種類型：

①勻速下沉：